Phân tích sóng hài lan truyền qua máy biến áp phân phối

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Sóng hài là một trong các vấn đề về chất lượng điện năng trên lưới điện phân phối cần được quan tâm khi nguồn điện mặt trời (PV) được kết nối với lưới điện ngày càng tăng. Bài viết đã phân tích các trường hợp sóng hài được sinh ra từ PV lan truyền giữa lưới phân phối trung và hạ áp qua máy biến áp phân phối (MBA).

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Phân tích sóng hài lan truyền qua máy biến áp phân phối

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) PHÂN TÍCH SÓNG HÀI LAN TRUYỀN QUA MÁY BIẾN ÁP PHÂN PHỐI ANALYSIS ON HARMONIC PROPAGATION THROUGH DISTRIBUTION \TRANSFORMERS Nguyễn Phúc Huy, Đặng Việt Hùng Trường Đại học Điện lực Ngày nhận bài: 13/05/2024, Ngày chấp nhận đăng: 27/06/2024, Phản biện: TS. Trần Quang Khánh Tóm tắt: Sóng hài là một trong các vấn đề về chất lượng điện năng trên lưới điện phân phối cần được quan tâm khi nguồn điện mặt trời (PV) được kết nối với lưới điện ngày càng tăng. Bài báo đã phân tích các trường hợp sóng hài được sinh ra từ PV lan truyền giữa lưới phân phối trung và hạ áp qua máy biến áp phân phối (MBA). Sóng hài từ PV phía lưới điện hạ áp lan truyền sang phía trung áp của MBA với mức độ ảnh hưởng nhỏ và tỉ lệ nghịch với công suất ngắn mạch của hệ thống. Trong khi đó sóng hài từ phía trung áp sẽ ảnh hưởng nhiều hơn tới lưới điện phía hạ áp đặc biệt là khi phía hạ áp có tụ bù và công suất phụ tải nhỏ. Giải pháp bù ứng động theo phụ tải phía hạ áp có thể làm giảm mức độ ảnh hưởng của sự lan truyền sóng hài từ phía cao áp, cải thiện chất lượng điện năng của mạng điện. Từ khóa: Điện mặt trời, Lan truyền sóng hài, Máy biến áp phân phối, Bù công suất phản kháng. Abstract: Harmonics are one of the power quality issues on distribution networks that need to be concerned when the connected solar photovoltaic (PV) sources are increasingly. The paper analyzed cases of harmonics generated from PV propagating between medium and low-voltage distribution grids through distribution transformers. Harmonics from the PV on the low-voltage side propagate to the medium-voltage side of the transformer with a low degree of in uence and inversely proportional to the short-circuit power of the system. Meanwhile, harmonics from the medium voltage side will e ect the low-voltage grid, especially when the low-voltage side has compensating capacitors and low load capacity. The solution of using dynamic reactive power compensation on low-voltage side can reduce the impact of harmonic propagation from the high-voltage side which improves power quality. Keywords: Solar Photovoltaics, Harmonic Propagation, Distribution transformer, Reactive power compensation. 1. MỞ ĐẦU trọng nguồn năng lượng tái tạo (gió, mặt trời, sinh Hiện nay, việc xây dựng hệ thống điện không khối) tăng 30,9 - 39,2% vào năm 2030 [1]. Các carbon với tỉ trọng cao các nguồn phát điện từ nguồn điện có quy mô công suất lớn kết nối lên năng lượng tái tạo đang là xu hướng chủ đạo trên lưới điện truyền tải, trong khi các nguồn điện vừa thế giới. Ở Việt Nam theo Quy hoạch điện VIII, tỉ và nhỏ kết nối vào khu vực lưới điện phân phối 25
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) trung áp và hạ áp, gọi chung là nguồn phát điện là điện áp hài bậc h tại điểm kết nối của nguồn hài phân tán (DG) [ 2]. Mức độ thâm nhập ngày càng với lưới điện. Phần lưới điện được xét ảnh hưởng tăng của các nguồn này trong lưới điện phân phối có U’h là điện áp hài bậc h được sinh ra, ZLh là tổng ảnh hưởng tới tổn thất công suất, khả năng tải của trở hài tương đương của lưới điện được xét và ZTh lưới điện và các vấn đề về chất lượng điện năng là tổng trở hài giữa điểm kết nối nguồn hài với lưới [2-4]. Đối với các DG kết nối qua các bộ biến đổi điện đó. điện tử công suất như điện gió, điện mặt trời sẽ bơm sóng hài dòng điện vào trong lưới điện [5]. Giới hạn về mức phát sinh sóng hài và mức độ nhiễu sóng hài thường được quy định trong các tiêu chuẩn và quy định cụ thể [6, 7]. Sóng hài lan Hình 1. Sơ đồ mô tả lưới điện phân phối có truyền có thể tăng cao ở nhiều vị trí, đặc biệt khi kết nối PV lưới điện có kết nối các bộ tụ bù công suất phản kháng [8], và có xu hướng ảnh hưởng nhiều hơn về phía phụ tải với mức độ phụ thuộc vào mô hình phụ tải được sử dụng [9]. Nghiên cứu lan truyền sóng hài có thể được thực hiện bằng kỹ thuật quét tần, tính toán tổng trở các nút trên miền tần số để tìm ra các điểm cộng hưởng [10]. Hình 2. Mô hình phân tích lan truyền sóng hài Bài báo sẽ trình bày phương pháp mô hình hóa Hình 3 có thể áp dụng cho trường hợp lưới điện có lưới điện trong nghiên cứu sóng hài, tiến hành nhiều nhánh kết nối. nghiên cứu phương thức lan truyền của sóng hài sinh ra từ các nguồn điện mặt trời phân tán (PV) từ hai phía của máy biến áp phân phối. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng tới mức độ lan truyền và đề xuất giải pháp hạn chế. 2. PHÂN TÍCH LAN TRUYỀN SÓNG HÀI QUA Hình 3. Mô hình phân tích lan truyền MÁY BIẾN ÁP PHÂN PHỐI sóng hài khi có nhiều nhánh liên kết 2.1. Mô hình phân tích và hệ số lan truyền Giả thiết mô hình như trong Hình 2, sóng hài điện sóng hài áp ở hai phía máy biến áp được tính toán và so Xét một lưới điện phân phối như Hình 1, nguồn sánh mức độ lan truyền. Để thuận lợi, ta xây dựng điện mặt trời phân tán (PV) được kết nối vào khu hệ số lan truyền các thành phần sóng hài điện áp vực lưới điện trung áp và hạ áp. như sau: Khi xét ảnh hưởng riêng của một nguồn sóng hài Uh' Z Lh TUh = = (1) tới lưới điện, ta xây dựng mô hình như trong hình U h Z Th + Z Lh 2, Ih và Z0h là dòng điện hài bậc h được sinh ra và tổng trở hài tương đương của các phần tử khác, Uh 26
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Các đại lượng trong (1) đều là các hàm của bậc Un 2 U2 sóng hài h, trong đó tổng trở thay thế của máy biến với: R = ; X = n ; k = 0,1.h + 0,9; k .P k .Q áp phụ thuộc bậc sóng hài xác định theo (2). P (MW) và Q (MVAr) là công suất của phụ tải; ZTh = RT . h + j.h.X T (2) 2.2. Xây dựng đặc tính lan truyền và các yếu tố ảnh hưởng với RT và X T là điện trở và điện kháng được xác Để xây dựng đường đặc tính hệ số lan truyền, các định từ các thông số định mức của máy biến áp; h thông số được tính toán theo (2) tới (5) kết hợp là bậc sóng hài. biến đổi sơ đồ theo Hình 1 để xác định được Z Lh , Trong khi đó, tổng trở phần lưới điện sóng hài ZTh và thay vào (1), tính toán giá trị TUh theo từng lan truyền tới Z Lh tùy thuộc vào từng trường hợp bậc sóng hài. mà có các thành phần tham gia khác nhau như hệ Trường hợp khi xét lan truyền sóng hài từ phía hạ thống nguồn, thiết bị bù, phụ tải. Tổng trở mô hình áp sang cao áp của MBA thì Z Lh = Z sh , hệ số lan hóa của các phần tử được xây dựng như sau: truyền là: + Hệ thống nguồn: HC Z sh TUh = (6)  Z Th + Z sh  Z sh = Rs + j.h. X s  2  1, 05.U n a trong khi lan truyền từ phía cao áp sang hạ áp thì  Xs = . ; (3)  Sk 1 + a2 Z Lh = Z Ch / / Z ldh , hệ số lan truyền là:  X  Rs = s  a CH Z Ch .Z ldh TUh = (7) Z Th ( Z Ch + Z ldh ) + Z Ch .Z ldh với: U n (kV) là điện áp danh định của hệ thống; S k (MVA) là công suất ngắn mạch; a là tỉ số X/R Với trường hợp nguồn hệ thống Sk = 50 MVA; MBA của hệ thống; Rs1 và X s1 (Ω) là điện trở và điện phân phối SđmT = 400 kVA, 22/0,4 kV, Uk%=4,5%, kháng hệ thống ở tần số cơ bản. ΔPk=2,5 kW, mang tải 80%, coφ=0,85; Qbù = 30% + Thiết bị tụ bù công suất phản kháng: SđmT, hệ số lan truyền từ (6) và (7) được xây dựng như Hình 4a và 4b. 1 Z Ch = (4) Có thể thấy rằng điện áp hài từ hạ áp sang cao áp j.h.ω.C của MBA sẽ có giá trị rất nhỏ (tiêu biến) (Hình 4a), với: C (Farad) là điện dung của bộ tụ; ω=2πf, tần và khi hệ thống nguồn càng lớn, tức Zsh càng nhỏ số cơ bản f=50Hz. HC thì TUh càng nhỏ. Trong khi đó, Hình 4b cho thấy + Phụ tải tuyến tính được mô hình hóa gồm điện điện áp hài lan truyền từ phía cao áp sang hạ áp của trở và điện kháng song song, tổng trở tương đương MBA có thể bị khuếch đại ở tần số cộng hưởng, được xác định [9, 10]: phụ thuộc vào mức tải và bù. Để phân tích cụ thể hơn, ta điều chỉnh mức bù và j.R. X Z ldh = (5) giữ nguyên mức tải 80% SđmT. Xây dựng lại đường R + jX đặc tính theo (7) với từng bậc hài và mức bù Qbù. 27
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Kết quả trong Hình 5 cho thấy khi thay đổi mức bù dụng inverter 2 mức điện áp và 3 mức điện áp điều Qbù từ 5% tới 50% SđmT (11 mức), các điểm cộng khiển bằng phương pháp điều chế độ rộng xung hưởng dịch chuyển dần về phía tần số thấp. (PWM – Pulse Width Modulation). Bên cạnh các sóng hài bậc thấp 5, 7,… thì sóng hài đặc tính khác (a)Đặc tính lan truyền từ phía hạ sang phía cao 0.1575 của inverter gồm các thành phần bậc cao được xác định phụ thuộc vào hệ số điều chế tần số m f của 0.157 0.1565 sóng mang [5, 13, 14]: Hệ số Tu 0.156 h = j.m f ± k 0.1555 0 5 10 15 Bậc sóng hài 20 25 30 (8) (b)Đặc tính lan truyền từ phía cao sang phía hạ 6 trong đó: j, k là các ố nguyên (nếu j là lẻ thì k chẵn, 4 và nếu j chẵn thì k lẻ). Hệ số Tu 2 0 0 5 10 15 20 25 30 Bậc sóng hài Hình 4. Đường đặc tính lan truyền sóng hài từ hai phía của 1 MBA phân phối Hình 6. Ảnh hưởng của mức bù Q ứng động theo phụ tải tới hệ số lan truyền Các inverter PV có tần số đóng cắt lớn lên tới hàng chục kHz (mf lớn), do đó các sóng hài bậc cao như (8) sẽ không được xét tới trong các khảo xét Hình 5. Ảnh hưởng của mức bù Q khi ở phần này do những ảnh hưởng là nhỏ như trong phụ tải không đổi tới hệ số lan truyền phân tích trong mục 2.2. Trường hợp áp dụng giải pháp bù ứng động, mức 3.2. Mô phỏng và đánh giá lan truyền qua bù Qbù thay đổi theo mức tải (Hình 6 với 14 mức MBA phân phối tải) thì điểm cộng hưởng dịch về phía tần số cao. Hình 7 thể hiện sơ đồ thay thế tính toán sóng hài 3. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH cho lưới điện trong Hình 1 (bỏ qua dây dẫn kết nối LAN TRUYỀN SÓNG HÀI TỪ PV giữa các phần tử): nguồn lưới điện phân phối 35 kV là nguồn 3 pha đối xứng (không có nhiễu sóng 3.1. Sóng hài đặc tính từ PV hài) có công suất ngắn mạch Sk = 250 MVA; PV Sóng hài do PV sinh ra phụ thuộc nhiều vào công các phía có mức phát sóng hài
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Nhập số liệu: hệ thống nguồn, MBA, phụ tải, bù Khởi tạo điện áp hệ thống Us, dòng điện nguồn PV Gán U0=[Us, Us] Hình 7. Sơ đồ thay thế tính toán sóng hài Tính ma trận tổng dẫn Trong sơ đồ trên, các đại lượng được mô tả trong Tính U =[U1;U2] từ (9) Cập nhật Yh ; miền sóng hài, trong đó các PV được mô tả như saiso = |U-U0| Gán U0=U những nguồn dòng bơm sóng hài vào lưới điện. Phương trình mô tả quan hệ các đại lượng được saiso
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) (a) Sóng U 1 (t) (b) Sóng U 2 (t) Kết quả cho thấy cần tập trung nghiên cứu sóng 20 20 10 10 hài từ phía trung áp lan truyền sang phía hạ áp để 0 0 có giải pháp phù hợp. Đặc biệt khi phụ tải thấp và Điện áp (kV) Điện áp (kV) -10 -10 mức bù công suất phản kháng lớn thì ảnh hưởng -20 -20 sẽ càng tăng lên. Dung lượng bù phù hợp với mức 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0 0.01 0.02 0.03 0.04 Thời gian (s) Thời gian (s) (c) Phổ hài U (d) Phổ hài U phụ tải cần phải được tính toán kỹ để giảm hệ số 1 2 0.6 0.6 THD=4.255 % THD=6.161 % 0.4 0.4 lan truyền của các sóng hài bậc thấp. Bên cạnh đó, Điện áp (%) Điện áp (%) 0.2 0.2 mặc dù các sóng hài bậc cao có biên độ nhỏ, nhưng 0 0 20 Bậc hài 40 0 0 20 Bậc hài 40 do hệ số lan truyền lớn cũng có thể ảnh hưởng làm tăng méo dạng sóng. Hình 10. Đặc tính điện áp pha phía sơ cấp và thứ cấp TH2 (bù ứng động ở mức tải 80%) Hình 12. Hệ số lan truyền điện áp hài Hình 11. Tổng độ méo dạng sóng U2(t) riêng lẻ trong các trường hợp khi phía sơ cấp có sóng hài 4. KẾT LUẬN XÁC NHẬN Sóng hài do các PV sinh ra lan truyền qua máy Công trình nghiên cứu này đã được Trường Đại biến áp phân phối (MBA) gây ra méo dạng đối với học Điện lực tài trợ thông qua đề tài nghiên cứu sóng điện áp ở cả hai phía tuy mức độ ảnh hưởng khoa học cấp trường năm 2023. là khác nhau. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Thủ tướng Chính phủ, “Quyết định số 500/QĐ-TTg ngày 15/3/ Phê duyệt Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia thời kỳ 2021 - 2030, tầm nhìn đến năm 2050”, 2023. [2]. Math H. J. Bollen, Fainan Hassan, Integration of Distributed Generation in the Power System, John Wiley & Son, Hoboken, New Jersey, Canada, 2011. [3]. W. L. Hsieh, C. H. Lin, C. S. Chen, C. T. Hsu, T. T. Ku, C. T. Tsai and C. Y. Ho, “Impact of PV generation to voltage variation and power losses of distribution systems,” in IEEE 4th International Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies (DRPT), 2011. [4]. S. M. Ismael, “State of the art of hosting capacity in modern power system with distributed generation,” Renewable Energy, tập 130, pp. 1002-1020, 2019. 30
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) [5]. Kamran Zeb, and others, A comprehensive review on inverter topologies and control strategies for grid connected photovoltaic system, Renewable and Sustainable Energy Reviews 94 (2018) 1120–1141. [6]. IEEE, “IEEE Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems,” in IEEE Std 519-2014 (Revision of IEEE Std 519-1992) , vol., no., pp.1-29, 11 June 2014. [7]. 30/2019/TT-BCT, “Sửa đổi bổ sung một số điều thông tư số 39/2015/TT-BCT ngày 18 tháng 11 năm 2015 của Bộ trưởng Bộ Công Thương quy định hệ thống điện phân phối,” Bộ Công thương, 2019 [8]. M. Tortoreli, “Harmonic distortion propagation in distribution systems with utility interactive photovoltaic systems,” A. Goetzberger et al. (eds.), Seventh E.C. Photovoltaic Solar Energy Conference, Brussels and Luxembourg , 1987, 4 trang (182-186). [9]. V. F. Corasaniti, R. Bianchi and F. Viollaz, “Comparison load models in harmonic ows,” 16th International Conference and Exhibition on Electricity Distribution, 2001. Part 1: Contributions. CIRED. (IEE Conf. Publ No. 482), vol.2, 2001, pp. 5. [10]. Enrique Acha, Manuel Madrigal, Power system harmonics: computer modelling and analysis, John Wiley & Son, Hoboken, New Jersey, Canada, 2001. [11]. Nguyễn Phúc Huy, Đặng Việt Hùng, “Nghiên cứu sự lan truyền sóng hài trong lưới điện trên miền tần số”, Tạp chí Khoa học và công nghệ năng lượng, số 16, 2018, 36-43. [12]. R. O. Anurangi, A. S. Rodrigo and U. Jayatunga, “E ects of high levels of harmonic penetration in distribution networks with photovoltaic inverters,” 2017 IEEE International Conference on Industrial and Information Systems (ICIIS), Peradeniya, Sri Lanka, 2017, pp. 1-6. [13]. A. Chidurala, T. Saha and N. Mithulananthan, “Harmonic characterization of grid connected PV systems & validation with eld measurements,” 2015 IEEE Power & Energy Society General Meeting, 2015, pp. 1-5. [14]. D. Grahame Holmes, Thomas A.Lipo, Pulse width modulation for power converters: principle and practice, John Wiley & Son, Hoboken, New Jersey, Canada, 2003. Giới thiệu tác giả: Tác giả Nguyễn Phúc Huy tốt nghiệp đại học và nhận bằng Thạc sĩ tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội vào các năm 2003 và 2010. Nhận bằng Tiến sĩ ngành hệ thống điện và tự động hóa hệ thống điện tại Trường Đại học Điện lực Hoa Bắc, Bắc Kinh, Trung Quốc năm 2015. Lĩnh vực nghiên cứu: chất lượng điện năng, lưới điện phân phối thông minh, ứng dụng điện tử công suất, độ tin cậy của hệ thống điện. Tác giả Đặng Việt Hùng tốt nghiệp Đại học và Thạc sĩ tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội vào các năm 2002 và 2004. Nhận bằng Tiến sĩ Kỹ thuật điện tại trường École Centrale de Lyon (Cộng hòa Pháp) năm 2010. Lĩnh vực nghiên cứu: Chất lượng điện năng, vật liệu điện, ứng dụng điện tử công suất. 31